全球物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 現(xiàn)象為傳感器技術(shù)帶來了前所未有的機遇。最近在IDTechEx 會議上發(fā)表的一份報告稱，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的材料清單 （BOM） 在傳感器和收發(fā)器之間平均分配（各占 45%），剩下一小部分用于微處理器（5%）和其他功能（ 5%）。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)令人頭暈?zāi)垦＃核伎?IBSG 預(yù)測到 2015 年將有 250 億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，到 2020 年將達到 500 億臺；Gartner Research 估計，到 2020 年，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的總數(shù)將從 2014 年的 13 億美元達到 101 億美元，復(fù)合年增長率 （CAGR） 為 41.7%。IDTechEx 估算了物聯(lián)網(wǎng) IP 地址傳感節(jié)點的市場價值從 2015 年的不到 10 億美元增長到 2025 年的超過 480 億美元。

傳感能力在所有領(lǐng)域都很重要，但被稱為“已建成基礎(chǔ)設(shè)施”的智能建筑和智能交通將代表最重要的市場。在這兩個領(lǐng)域，都需要許多不同的設(shè)備，從提供基本監(jiān)控的節(jié)點到具有高計算能力的活動節(jié)點。在這些領(lǐng)域采用物聯(lián)網(wǎng)的理由有很多，從社會到環(huán)境再到經(jīng)濟。節(jié)能、環(huán)境控制、交通優(yōu)化、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、事故預(yù)防和災(zāi)難遏制只是可以從互連傳感設(shè)備中受益的部分領(lǐng)域。

除了全面了解傳感能力之外，了解物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的不同通信特性也至關(guān)重要。在開發(fā)解決方案時必須進行權(quán)衡，適當(dāng)?shù)募軜?gòu)研究將能夠最大限度地降低成本，同時最大限度地提高系統(tǒng)性能。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的特點

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的主要特征（如圖 2 所示）包括傳感器前端、低功耗信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備（通常是 ASIC，包括具有嵌入式算法的微控制器）、電源/存儲/管理和后端，低功耗通信，通常是無線的并封裝在一個封裝中（有關(guān)更多信息，請參見基于微機電系統(tǒng)（基于MEMS 的）系統(tǒng)解決方案）。實施此類設(shè)備的技術(shù)挑戰(zhàn)僅限于不同現(xiàn)有組件的集成和封裝，以及能量收集器的可用性以使節(jié)點自給自足。

圖 2：基于 MEMS 的系統(tǒng)解決方案 （MBSS） 集成了物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的關(guān)鍵元素，包括傳感、計算和通信，為智能建筑/智能交通監(jiān)控應(yīng)用提供有價值的測量能力。（點擊圖片放大1.7倍）

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)可分為無約束 （NTU） - 以高速通信鏈路為特征，提供每秒兆位 （Mbps） 范圍內(nèi)的傳輸速率 - 和受限 （NTC） - 以相對較低的傳輸速率為特征，通常小于 1 Mbps。

網(wǎng)絡(luò)分類法還取決于所使用的終端類型。不受約束的終端具有高計算能力和

理論上無限的能量儲備，使它們能夠執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如強加密、HTTP 流量和 NTU 網(wǎng)絡(luò)典型的高傳輸速率。

受限終端相對于非受限終端表現(xiàn)出重要限制：傳輸能力降低，小于 1 Mbps；有限的能量儲備；有限的數(shù)據(jù)存儲能力（典型值為 RAM 為 10 KB，ROM 為 100 KB）；和有限的計算能力（小于 100 MHz）。最后，標(biāo)簽式終端在計算能力、內(nèi)存存儲和能量存儲方面表現(xiàn)出極大的局限性。

智能建筑

智能建筑提供優(yōu)質(zhì)舒適的環(huán)境，并在以節(jié)能方式運行的同時提高安全性和安保性。一個典型的例子是Nest “學(xué)習(xí)”恒溫器。它由七個非 MEMS 傳感器組成，不僅可以測量溫度和濕度，還可以測量存在，允許根據(jù)乘員的使用歷史進行溫度控制。

密歇根大學(xué)的 Bob 和 Betty Beyster 計算機科學(xué)大樓最近由無線集成微傳感和系統(tǒng) （WIMSS） 中心的Jerry Lynch 教授安裝了儀器，配備 15 個 Martlet 無線傳感器節(jié)點，包括 45 個溫度、濕度和 CO 2通道傳感器。Lynch 教授表示，該項目的目標(biāo)是“部署傳感器網(wǎng)絡(luò)并模擬與供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 性能相關(guān)的環(huán)境條件。接下來的步驟包括監(jiān)控居住者的行為/存在，并將網(wǎng)絡(luò)直接連接到 HVAC 系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)最佳性能與成本。”

智能交通

交通運輸中采用物聯(lián)網(wǎng)的主要驅(qū)動力是安全性、便利性、燃油效率和環(huán)境污染。Libelium開發(fā)了一套傳感器平臺系統(tǒng)，用于測量西班牙桑坦德市停放車輛的存在情況。這個 400 個節(jié)點的監(jiān)控系統(tǒng)包括磁性傳感器、信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備、7 到 10 年的電池壽命，以及一個直徑為 12 厘米封裝的收音機。數(shù)據(jù)被傳輸?shù)礁浇鼰糁系慕尤朦c，并轉(zhuǎn)發(fā)到停車部門總部，在那里進行分析，然后發(fā)送到街道上的顯示器。它也可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備訪問，以將車輛引導(dǎo)到適當(dāng)?shù)目捎猛＼囄?。此外，另一個 600 節(jié)點系統(tǒng)安裝在燈柱上并使用 CO 2用于測量空氣質(zhì)量的傳感器。

Sensys Networks 開發(fā)了一種類似的基于磁傳感器的系統(tǒng)，用于交通路口。該系統(tǒng)由一個三軸磁力計、帶有嵌入式軟件的信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備和一個 3 英寸 x 3 英寸 x 3 英寸封裝的無線電設(shè)備組成，嵌入在交通道路和十字路口。對于當(dāng)今的 6‘ 直徑大型磁環(huán)而言，這顯然是一種成本較低的解決方案。該套件將通過低本底噪聲、高靈敏度加速度計得到增強，以使用振動特征分析根據(jù)軸數(shù)和間距確定車輛分類。

Sensys 還推出了安裝在十字路口和自行車道上的“微型雷達”傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個工作頻率為 6.3 GHz 的高指向性雷達天線組成，可以確定 1.2 到 3.0 m 范圍內(nèi)是否存在自行車。之所以采用雷達方法，是因為磁傳感器無法充分檢測到人和自行車復(fù)合材料的存在。采用了類似的功能，包括信號處理、電池和無線電。

美國公路系統(tǒng)是一個典型的例子，說明一項寶貴的資產(chǎn)如何被允許緩慢惡化到幾座橋梁倒塌的地步，特別是明尼阿波利斯密西西比河上的 I-35W 大橋，造成 13 人傷亡。作為州際公路系統(tǒng)的一部分，在 1950 年代至 1970 年代建造的許多原始公路和橋梁已超過其設(shè)計壽命和交通預(yù)期。公共資金僅限于支持適當(dāng)?shù)木S護和維修。最近的一項研究《聯(lián)邦國家橋梁清單》顯示，在 607，380 座橋梁中，有 65，605 座被歸類為“結(jié)構(gòu)缺陷”（需要修復(fù)或更換，因為跨度的至少一個主要部件已經(jīng)嚴(yán)重惡化），20，

為了直接解決這種嚴(yán)峻的情況，密歇根州的林奇教授為兩座橋梁——門羅密歇根電報路橋和新卡奎內(nèi)斯加州橋——安裝了傳感器節(jié)點，以確定橋梁在動態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。New Carquinez Bridge 建于 2003 年，在 1.056 公里的結(jié)構(gòu)中部署了 31 個無線傳感器節(jié)點。使用專有的 Narada 4“ x 4” 印刷電路板平臺測量總共 87 個通道的三軸加速度計、應(yīng)變計、風(fēng)速、溫度和電位計位移傳感器，該平臺可以接受多達四個通道的傳感器數(shù)據(jù)。

Lynch 教授表示，實施的目的是確定南都傳感器節(jié)點及其遠(yuǎn)程傳感器的成本效益部署和穩(wěn)健性。該系統(tǒng)安裝于 2011 年，目前正在收集數(shù)據(jù)，并得到加州交通部的支持。該系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)將用于驗證 WIMSS 團隊開發(fā)的模型，并將用于更好地了解橋梁在高風(fēng)荷載和地震等條件下的響應(yīng)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的比爾·斯賓塞教授和他的團隊在 344 米跨度上為韓國珍島島大橋安裝了 113 個節(jié)點（此類橋梁監(jiān)測中最大的部署）。659 個數(shù)據(jù)通道由傳感器組成，包括用于測量橋梁斜拉索振動的加速度計、應(yīng)變儀、風(fēng)速和風(fēng)向風(fēng)速計，以及溫度和光照水平傳感器。該系統(tǒng)于 2010 年安裝并運行至 2012 年。

Spencer 教授表示：“與首爾國立大學(xué)的同事一起，我們已經(jīng)證明我們可以部署一種無線自主測量解決方案，該解決方案功能強大且成本顯著降低，每通道約 100 美元。該項目已按預(yù)期返回結(jié)果，我們能夠更好地了解風(fēng)荷載算法并驗證我們的模型?！?/p>

新發(fā)展

Innoveering目前正在開發(fā)的智能建筑解決方案使用連接到節(jié)點/接入點的加速度計和應(yīng)變計。增強型結(jié)構(gòu)倒塌感知和預(yù)測設(shè)備 （ESCAPE） 應(yīng)用程序可在火災(zāi)期間測量建筑物的結(jié)構(gòu)完整性，并警告第一響應(yīng)者建筑物的狀況，以防止他們受到傷害。該程序處于硬件和算法開發(fā)的早期階段。

塔夫茨大學(xué)的 Babak Moaveni 和 Usman Khan教授正在開發(fā)基于無人機的光學(xué)系統(tǒng)來檢查橋梁。這種檢查目前由工程師和維護人員使用視覺方法進行。塔夫茨大學(xué)的研究人員正在探索配備高清和紅外攝像頭的無人機儀器，以拍攝結(jié)構(gòu)照片，將信息存儲在無人機的存儲系統(tǒng)中，并在無人機返回基地時下載信息。使用無人機圖片檢測結(jié)構(gòu)中的裂縫并結(jié)合振動特征分析有望實現(xiàn)對惡化結(jié)構(gòu)的更準(zhǔn)確評估。這種方法的一個主要優(yōu)點是它使用歷史上和高度可接受的方法來確定橋梁結(jié)構(gòu)惡化 - 視覺 - 預(yù)計這將有助于維護社區(qū)的接受。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的成本/收益分析

無線自主傳感器網(wǎng)絡(luò)/物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點有兩個主要組成部分：傳感器和通信模塊?？梢愿鶕?jù)通信設(shè)備的功能對其進行分類：無約束、有約束以及標(biāo)簽和系統(tǒng)架構(gòu)必須無縫集成各種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。在過去的幾年里，它們在不同的領(lǐng)域中運作，但主要是在試點項目中。根據(jù)研究結(jié)果，它們被廣泛采用的主要障礙是資金。盡管許多研究已經(jīng)確定了我們的道路和橋梁的老化性質(zhì)以及它們的不斷惡化，但這還不足以激勵政府機構(gòu)從結(jié)構(gòu)上解決這些問題。這些條件在日本、中國和越南以及美國都存在

我們認(rèn)為成本/收益比應(yīng)該作為開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點和監(jiān)控系統(tǒng)的主要指標(biāo)。I-35W 密西西比大橋的重置成本為 2.34 億美元，足以安裝 20，000 多座橋梁。

作者：Roger Grace，Alessandro Bassi

審核編輯：郭婷